管星星 馮斐斐

中國化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司 浙江 寧波 315000

隨著國際化進程的加快，經(jīng)濟全球化趨勢不斷深入，世界各國的工業(yè)競爭愈發(fā)激烈，工業(yè)水平作為衡量國家綜合實力的重要指標，我國也在工業(yè)建設(shè)方面苦下功夫。其中壓力容器作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要組成部分，其身影隨處可見，隨著我國工業(yè)水平的不斷發(fā)展和深入，其在工業(yè)領(lǐng)域中也扮演著越來越重要的角色。但是壓力容器的危險性無需多言，直接與工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟財產(chǎn)以及人們的人身安全密切相關(guān)，因此必須進一步優(yōu)化壓力容器設(shè)計工作。高質(zhì)量的設(shè)計是壓力容器質(zhì)量的重要保障，也是規(guī)避重大損失發(fā)生的核心“利器”。

1 關(guān)于壓力容器的基本概述和特征

1.1 概念

壓力容器即用作盛裝氣體或液體同時具備一定壓力承載能力的密閉容器。我國《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中，根據(jù)生產(chǎn)作用、介質(zhì)的危害毒性程度、工作壓力等對其進行了分類，結(jié)合壓力容器的具體類別，其在設(shè)計、制造、檢驗等方面也有著對應(yīng)的規(guī)范和標準。

1.2 特征

對比普通機械產(chǎn)品，壓力容器在設(shè)計方面有其自身獨特特征，產(chǎn)品設(shè)計專業(yè)水平要求更高。一般情況下，壓力容器的設(shè)計人員不僅需要對容器設(shè)備相關(guān)知識有非常全面的了解，還要具備熟練的計算機技術(shù)能力，兩者缺一不可。這是在設(shè)計壓力容器的過程中表現(xiàn)的得心應(yīng)手，游刃有余的關(guān)鍵素養(yǎng)，也是順利設(shè)計出符合相關(guān)規(guī)范和標準壓力容器的基本能力。壓力容器的適用范圍相當廣泛，屬于多樣性制造工藝的必然產(chǎn)物，是化工、煉油、輕工、制藥、冶金、紡織、海洋工程等傳統(tǒng)領(lǐng)域所必須的關(guān)鍵設(shè)備，因此壓力容器的產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)參數(shù)具有多樣性和廣泛性，這也是壓力容器制造工藝多樣性的直接原因[1]。對于壓力容器的設(shè)計制造工作而言，其綜合程度較高。不僅包括機械加工、焊接、熱處理等專業(yè)，還需要腐蝕防護、無損檢測、防水防火等安全防護知識，因此開展壓力容器設(shè)計工作，涉及到的學(xué)科非常廣泛，因此高質(zhì)量的完成壓力容器設(shè)計制造工作需要多種學(xué)科專業(yè)的相互配合、協(xié)調(diào)，才能夠順利完成。

2 壓力容器設(shè)計

2.1 壓力容器設(shè)計要求

工業(yè)生產(chǎn)過程的復(fù)雜性無需多言，設(shè)備工藝生產(chǎn)過程中無論什么設(shè)備出現(xiàn)故障均會對產(chǎn)品品質(zhì)產(chǎn)生影響，甚至一度中斷生產(chǎn)，嚴重的會對人身安全造成巨大威脅。因此壓力容器必須滿足下述幾點要求：

2.1.1 確保完成工藝生產(chǎn)

為確保工藝生產(chǎn)順利完成，工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求的壓力、溫度是壓力容器必須承擔的基礎(chǔ)指標，同時還必須具備工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求的規(guī)格、結(jié)構(gòu)，其主要包括容器直徑、厚度、容積、密封、開孔接管等條件。

2.1.2 運行安全可靠

很多工業(yè)生產(chǎn)物料都具有強腐蝕性、中、高毒性程度、易燃易爆等性質(zhì)，容易引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸等惡性事故。所以壓力容器工作過程中內(nèi)部會存儲一定的能量，如果損壞，存儲在內(nèi)部的能量往往可以在非常短的時間完全釋放，摧毀力巨大，后果難以估計。因此，設(shè)計壓力容器時，必須堅持安全性及可靠性原則，確保運行安全可靠。

2.1.3 預(yù)定使用壽命

對壓力容器使用壽命產(chǎn)生影響的因素主要為化工物料對殼體結(jié)構(gòu)材料的腐蝕，嚴重的會造成器壁厚度大大降低甚至直接爛穿，出現(xiàn)泄露現(xiàn)象！為此設(shè)計壓力容器的時候必須采取一定的措施提高其安全系數(shù)，尤其是做好附加腐蝕裕量的設(shè)計工作，從而保證壓力容器的使用壽命能夠滿足實際工藝需要。

2.1.4 制造、檢驗、交裝、操作、維護便捷

設(shè)計壓力容器時，還需要考慮制造、檢查、交裝、操作、維護的便捷性。該要求的提出出于兩方面的考慮。首先立足于安全視角考慮，制造簡單、結(jié)構(gòu)簡單、容易察覺故障設(shè)備存在的缺陷和安全隱患，使其質(zhì)量保障工作更容易展開，并及時采取有效措施消除故障；其次，這也是為了高度契合一些特殊使用，方便操作或拆卸，例如某些壓力容器需要經(jīng)常裝卸頂蓋，那設(shè)計時就盡可能的選擇快拆密封結(jié)構(gòu)，盡量避開笨重復(fù)雜的主螺栓連接。

2.1.5 經(jīng)濟性強

設(shè)計壓力容器時，還需要考慮成本因素，盡量選擇結(jié)構(gòu)簡單、制造便捷、質(zhì)量輕、貴重材料使用不多的工藝，在保障壓力容器設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡可能的縮減設(shè)備制造成本，降低維修費用。

2.2 優(yōu)化設(shè)計原理

結(jié)合壓力容器設(shè)計環(huán)節(jié)常見問題，積極找尋優(yōu)化設(shè)計舉措是關(guān)鍵。優(yōu)化設(shè)計作為數(shù)學(xué)規(guī)劃、計算機技術(shù)整合的產(chǎn)物，把設(shè)計變量用產(chǎn)品性能指標、結(jié)構(gòu)指標、運動參數(shù)指標的函數(shù)來表示，即目標函數(shù)。把產(chǎn)品確定的形態(tài)、幾何、運動等條件限制范圍變?yōu)榧s束條件，從而找尋目標函數(shù)極限（最大或最?。┰O(shè)計變量組合的方法[2]。

3 壓力容器設(shè)計過程常見問題

3.1 使用年限設(shè)計中存在的問題

設(shè)計任何產(chǎn)品時都需要考慮其使用壽命，壓力容器也是如此。壓力容器有對應(yīng)的使用年限，如果超過了容器使用年限，那么容器往往會出現(xiàn)局部乃至整體老化的情況，特別是對安全要求嚴苛的壓力容器，如果超出使用年限后繼續(xù)使用，那么安全事故的發(fā)生率會大大提升。根據(jù)TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中的相關(guān)內(nèi)容，明確了及時淘汰、更換超過使用年限產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)定，但是在實際使用操作環(huán)節(jié)，企業(yè)人員單純的停留在知曉產(chǎn)品使用年限的層面，并沒有及時更換超過使用年限的設(shè)備，從而大大降低了壓力容器的安全性，造成很大的安全隱患。此時，在確定壓力容器使用年限時，都是在理想條件下，企業(yè)實際生產(chǎn)中影響壓力容器的因素較多，例如溫度、濕度、介質(zhì)等等，導(dǎo)致壓力容器的使用年限遠不及理想使用壽命。

3.2 壓力容器設(shè)計忽略熱處理問題

根據(jù)鋼板熱處理規(guī)定中的相關(guān)要求，鋼板冷成形或者其他元件在受壓過程中均需要展開熱處理操作，例如，具備應(yīng)力腐蝕性介質(zhì)的容器；盛裝毒性為極度高度危害介質(zhì)的容器；成形前碳鋼和低合金鋼厚度大于16毫米，成形后碳鋼和低合金鋼厚度減薄量大于10%的情況等等。一旦冷成形變形率指標符合規(guī)范要求，那么就需要在設(shè)計過程中給出恰當?shù)臒崽幚矸绞?，如果沒有給出對應(yīng)的熱處理舉措，那么材料的力學(xué)性能可能就無法恢復(fù)。設(shè)計者往往對壓力容器殼體、封頭等的熱處理較為關(guān)注，但是在設(shè)計接管時往往忽略了熱處理問題。

3.3 壓力容器設(shè)計材料方面的問題

材質(zhì)作為產(chǎn)品性能的直接影響因素，不同材質(zhì)的產(chǎn)品其對應(yīng)屬性也存在差異，壓力容器也不例外。開展壓力容器設(shè)計工作，對所選取材料的影響制約因素較多，例如運行環(huán)境、客戶需求、操作人員、容器的外觀和大小等等。一般情況下，對比其它工業(yè)機械產(chǎn)品，壓力容器運行環(huán)境相對惡劣，往往在高壓高溫或者低溫的環(huán)境中，一旦材料改變，會對其耐腐蝕性，內(nèi)外部受力情況，抗壓能力產(chǎn)生本質(zhì)的影響[3]。這就需要設(shè)計人員高度重視材料篩選工作。所以，設(shè)計壓力容器時，必須做好對不同種類材料的耐腐蝕性能檢測和受力分析工作等等。但是在具體設(shè)計環(huán)節(jié)，往往存在這樣的問題，一旦用戶提出降低容器材料厚度的要求，那么設(shè)計者往往會結(jié)合對應(yīng)要求對壓力容器的受力情況進行重新計算，對壓力容器的耐腐蝕性能重新分析，但是如果客戶提出增加容器材料厚度的要求時，大多數(shù)設(shè)計工作者認為不需要重新計算分析，從而往往忽略了材料增厚的同時，會導(dǎo)致殼體器壁產(chǎn)生多向拉應(yīng)力，進而容易產(chǎn)生脆性斷裂風險的情況，進而影響整體設(shè)計質(zhì)量。

3.4 壓力容器氣密性試驗方面的問題

工業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜，生產(chǎn)過程中難免會出現(xiàn)腐蝕性、毒性等較強的氣體，為了防止壓力容器使用環(huán)節(jié)這些氣體泄露情況的發(fā)生，工作人員必須通過氣密性試驗來檢驗壓力容器泄露情況。但是，有些企業(yè)的員工受到自身專業(yè)水平有限的影響，并沒有真正重視氣密性試驗，導(dǎo)致實驗結(jié)果誤差較大，從而造成氣密性不合格的壓力容器流入市場，這就對企業(yè)的正常生產(chǎn)造成威脅，也對操作者的身體健康產(chǎn)生影響。

3.5 壓力容器的焊接問題

由于焊接質(zhì)量和焊接水平直徑影響壓力容器的整體質(zhì)量和工作的正常運轉(zhuǎn)，因此在設(shè)計和制造中必須要重視焊接問題。為了能夠更加合理的判斷焊接所存才的問題，在對焊縫進行焊接時，需要嚴格按照規(guī)范要求來進行。由于焊接材料的選擇，焊接過程中對溫度的把控很容易在操作過程中出現(xiàn)誤差，因此需要設(shè)計人員對焊接形式、焊接接頭、是否采用全焊透等作出相應(yīng)的要求。相關(guān)制造單位也應(yīng)該根據(jù)設(shè)備、材料等進行對應(yīng)機關(guān)評定合格的焊評。焊接問題是壓力容器制造、使用過程中非常常見的問題，為保證容器安全穩(wěn)定運行，一定要嚴格把控焊接的各個環(huán)節(jié)。

4 壓力容器設(shè)計過程中常見問題的防范策略

為滿足不同工藝要求，需要充分了解壓力容器使用環(huán)境、使用參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造材質(zhì)等相關(guān)內(nèi)容，進而優(yōu)化壓力容器設(shè)計工作。

4.1 使用年限設(shè)計的防范策略

高度重視壓力容器使用年限設(shè)計問題，設(shè)計者需要立足于全局思考問題，認真研讀TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》相關(guān)要求，這也是設(shè)計者需要貫徹落實的基本原則，每一張設(shè)計圖紙都需要將壓力容器設(shè)計使用年限標注清楚。為提升壓力容器使用年限設(shè)計的科學(xué)性與合理性，相關(guān)人員必須充分考慮壓力容器的使用環(huán)境，將各類安全隱患的發(fā)生率控制在盡可能低的水平。結(jié)合設(shè)備使用材質(zhì)，做好壓力容器耐腐蝕性能、內(nèi)外壓力差等的測算工作，在此基礎(chǔ)上保障測算年限符合實際情況[4]。為進一步提升使用壽命測算的可靠性，設(shè)計者還需要模擬最惡劣的使用環(huán)境。此外，還需要將一系列不當操作因素考慮進去。并在設(shè)計圖紙中設(shè)置安全提醒。

4.2 設(shè)計時強化材料及熱處理要求

設(shè)計人員進行接管設(shè)計時，壓力容器時，比如φ377mm×20mm碳鋼或低合金鋼接管。加工時可以選擇無縫鋼管，也可用碳鋼或低合金鋼板卷制而成。設(shè)計時，如果采用后一種方法，很容易忽略設(shè)計規(guī)范中的成型后熱處理這一要求，從而導(dǎo)致設(shè)計不符合規(guī)范要求，接管容易出現(xiàn)裂紋，進一步影響整個設(shè)備設(shè)計[5]。此外由于碳鋼及合金鋼板在冷卻后即可通過卷制來成型，由于不經(jīng)過熱處理操作，鋼鐵內(nèi)部微小晶粒歪扭、破損等的發(fā)生率較高，可塑性變差，為此，設(shè)計人員針對大厚度鋼板，冷卻加工之后須提出做結(jié)晶退火熱處理這一要求，從而增加鋼板硬度及可塑性，促進壓力容器使用的安全性。

4.3 關(guān)于壓力容器設(shè)計材料變更的防范策略

設(shè)計人員結(jié)合工藝或者業(yè)主提出的壓力容器變更要求，切忌單純考慮材料減少增加的安全風險，還必須把材料增加帶來的安全風險考慮充分。比如，管板和筒體連接結(jié)構(gòu)中，由于厚度增加所導(dǎo)致的焊接部分應(yīng)力變化的情況；封頭和筒體連接處，由于封頭加厚，對封頭進行削邊處理的情況；鋼板加厚導(dǎo)致需用應(yīng)力下降，以后代薄以后強度計算不合格需要重新計算設(shè)計的情況[6]。

4.4 氣密性問題的解決策略

為保證氣密性試驗的準確性，在此之前應(yīng)先保證液壓試驗合格。操作人員需要選擇合適的氣體，比如空氣、氮氣等惰性氣體充入到壓力容器中，根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行氣密性試驗。值得注意的是，如果發(fā)現(xiàn)泄露需要對壓力容器進行及時修補，之后再次進行氣密性試驗，直到不會產(chǎn)生泄露為止。

4.5 焊接接頭系數(shù)選取的解決策略

確定焊接接頭系數(shù)，一般需要充分考慮壓力容器鋼板的厚度、應(yīng)力腐蝕、盛裝介質(zhì)、設(shè)計溫度等要素。為提升設(shè)備使用的安全性，設(shè)計者需要嚴格按照規(guī)范對焊接接頭系數(shù)進行取值。在此基礎(chǔ)上，對于特殊設(shè)備，預(yù)防可能遇到的問題，并盡可能的規(guī)避焊接處理過程中的常見問題[7]。

5 結(jié)束語

綜上所述，開展壓力容器設(shè)計工作，必須高度重視設(shè)計環(huán)節(jié)常見問題，結(jié)合具體設(shè)計要求強化各方面控制工作，以此達到優(yōu)化設(shè)計的目的，進而保障壓力容器使用的安全性、可靠性，從而更好的服務(wù)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)。